KW超声波驱动电源设计.doc

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1绪论

随着现代科学技术飞速发展。

各学科之间相互渗透，新兴边缘学科不断出现，超声工程学作为一门新兴的边缘学科．在工业生产、卫生保健和航空航天等许多领域中扮演着十分重要的角色。

我国近十年来，对超声技术的应用研究十分活跃，超声工程学按其研究内容，可划分为功率超声和检测超声两大领域。

所选课题超声波电源的研究，是功率超声技术的一个重要应用部分。

1．1超声波电源的发展概况和发展趋势

超声波电源又叫超声波功率源，是超声波清洗系统的核心部分，其发展与电力电子器件发展密切相关，一般可以分为电子管放大器、晶体管模拟放大器和晶体管数字开关放大器三个阶段。

在早期，20世纪80年代前，信号功率放大采用电子管，采用电子管的优点是动态范围较宽，此优点对于音频放大器很重要，但对超声波电源来说没有什么好处，因此，当功率晶体管出现后即遭淘汰，电子管的缺点很多：

功耗大、寿命短、效率低、电源成本高、体积大。

20世纪80年代到90年代中旬，功率晶体管发展己非常成熟，各种OCL及OTL电路大量用于超声波电源，功率晶体管模拟发生器开始投入使用，电源效率提高、体积和重量下降，由于受开关速度的限制和晶体管开关特性的影响，采用晶体管模拟放大器的超声波电源有以下几个缺点：

（1）功耗较大。

由于OTL、OCL电路理论效率只有78％左右，实际效率更低、功耗大，导致功率管发热严重，需要较大的散热功率，并且功率管发热导致系统工作不太稳定。

（2）体积大、重量重。

由于功率管输出的功率受到限制，要输出较大的功率需要更多的功率管，且发生器所需求的直流电源是通过变压器降压、整流、滤波后得到。

大功率的变压器重、效率低。

（3）不易使用微处理器来处理。

由于该电路呈现模拟线路特征，用数字化处理复杂，涉及到A／D和D／A转换，成本高、可靠性低。

随着电力电子器件的发展，特别是VDMOS管和IGBT的发展与成熟，采用开关型超声波发生器成为可能。

开关型发生器的原理是通过调节开关管的占空比来控制输出功率的。

由于晶体管在截止和饱和导通时的功耗很小，开关型超声波发生器主要有以下特点：

（1）功耗低、效率高。

开关管在丌关瞬时的功耗较大，但由于开关时间短，在截止或导通时的功耗很小，因此总的功耗较小，最高效率可达到积小、重量轻。

由于效率高、功耗低，使得散热要求较低，而且各个开关管可以推动的功率大：

在直流电源作用下可直接变换使用，不需要电源变压器降压，因此体积小，重量轻。

（2）可靠性好。

与微处理器等配合较容易，电子器件在工作时温升较低，工作可靠，加上全数字开关输出，可用微处理器直接控制。

开关型超声波发生器与开关型电源的发展息息相关，而开关型电源发展又与电力电子开关器件发展紧密相连，也经历了三个发展历程：

采用双极型开关晶体管年代、采用VDMOS年代、采用IGBT管年代；这样它的工作频率也经历了工频，低频，中频到高频的发展历程。

随着电力电子器件的迅速发展，电力电子电路的控制也在飞速发展。

控制电路最初以相位控制为手段、由分立元件组成，发展到集成控制器，再到实现高频开关的计算机控制。

目前，向着更高频率，更低损耗和全数字化的方向发展。

模拟控制电路存在控制精度低、动态响应慢、参数整定不方便、温度漂移严重、容易老化等缺点。

专用模拟集成控制芯片的出现大大简化了电力电子电路的控制线路。

提高了制信号的开关频率，只需外接若干阻容元件即可直接构成具有校正环节的模拟调节器，提高了电路的可靠性。

但是，也正是由于阻容元件的存在，模拟控制电路的固有缺陷，如元件参数的精度和一致性、元件老化等问题仍然存在。

此外，模拟集成控制芯片还存在功耗较大、集成度低、控制不够灵活，通用性不强等问题。

用数字化控制代替模拟控制，可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点，有利于参数整定和变参数调节，便于通过程序软件的改变，调整控制方案和实现多种新型控制策略。

同时可减少元器件的数目、简化硬件结构，提高系统可靠性。

此外，还可以实现运行数据的自动储存和故障自动诊断，有助于实现电力电子装置运行的智能化。

超声波发生器应用控制技术一般有三种形式：

采用单片机控制、采用FPGA控制。

但是我们这里用的是UC3875为控制器，做为PWM的占空比可变和过压、过流保护的功能，其是可以完成的。

（1）采用单片机控制

单片机是一种在一块芯片上集成了CPU，RAM瓜OM、定时器／计数器和I／O接口等单元的微控制芯片，广泛应用在各种控制系统，主要以美国INTEL公司生产的MCS．51和MCS．96两大系列为代表。

在超声波发生器中，单片机主要用作数据采集和运算处理、电压电流调节、PWM信号生成、系统状态监控和故障自我诊断等，作为整个电路的主控芯片运行，完成多种综合功能。

配合D／A转换器和IGBT功率模块实现脉宽调制。

另外，单片机还具有对过流，过热、欠压等情况的中断保护以及监控功能。

单片机控制克服了模拟电路的固有缺陷，通过数字化控制方法，得到高精度、高稳定度的控制特性，可实现灵活多样的控制功能。

但是，单片机的工作频率与控制精度是一对矛盾，处理速度也很难满足高频电路的要求，这就使人们寻求功能更强芯片的帮助，于是UC3875应运而生。

（2）采用UC3875控制

UC3875芯片作为控制电路的2KW移相控制全桥变换（PSCFBZVS-PWM）软开关电源，由于开关管在ZVS条件下运行，可实现高频化，而且控制简单，性能可靠，适用于大功率场合。

且能保持恒频运行，就不会同时出现大电压、大电流，减少了开关所受的应力，实现了高效化。

大大减小了电源的体积。

（3）采用FPGA控制

FPGA属于可重构器件，其内部逻辑功能可以根据需要任意设定，具有集成度高、处理速度快、效率高等优点。

其结构主要分为三部分：

可编程逻辑块、可编程I／O模块、可编程内部连线。

由于FPGA的集成度非常大，一片FPGA少则几千个等效门，多则几万或几十万个等效门，所以一片FPGA就可以实现非常复杂的逻辑，替代多块集成电路和分立元件组成的电路。

它借助于硬件描述语言来对系统进行设计，采用三个层次（行为描述、PJL描述、门级描述）的硬件描述和自上至下（从系统功能描述开始）的设计风格，能对三个层次的描述进行混合仿真，从而可以方便地进行数字电路设计，在可靠性、体积、成本上具有相当优势。

比较而言，DSP适合取样速率低和软件复杂程度少时，FPGA更有优势。

1．2本文的研究背景及主要工作

20世纪60年代初，我国开始研制各种超声波清洗机的功率电源，到目前为止，我国的超声电源也经历了电子管、晶闸管、晶体管、VMOS和IGBT的发展过程。

20世纪70年代电子管组成的超声波电源电能利用率低、电源成本高、体积大。

20世纪70年代到80年代初，晶闸管超声波电源开始投入使用。

晶闸管电源与电子管电源相比较有了很大提高，体积和重量有所下降，但由于受到开关速度的限制和晶闸管开关特性的影响，电源频率在20kHz以下，工作效率较低。

为了克服上述电源的不足，人们开始研制和使用VMOS电源。

VMOS电源开关速度高、驱动功率小。

但是由于管子的制造工艺结构限制，单管的导通电流较小，耐压较低，抗电流和电压冲击能力较差。

晶体三极管的驱动功率较大，但采用大功率复合三极管，开关速度会大大降低，这种复合三极管一般也只能在20kHz以下使用。

因此，VMOS管和晶体三极管一般适用于小功率超声波电源。

综上所述，超声波电源需要一种开关速度快，导通电流大、耐压高、抗冲击能力强、驱动功率小的新型功率器件。

同时，随着微电子技术、计算机技术、自动控制理论和电力电子技术的发展，超声波电源需要一种功率大、频率高、成本低、智能化等系列超声波电源。

今后，超声波电源的发展趋势主要有以下几个方面：

（1）大功率，高频化。

随着功率器件MOSFET、IGBT、MCT、IGCT的发展，将来的超声波电源必将朝着大功率和高频率相统一的方向发展。

（2）低损耗、高功率因数。

随着功率器件的发展，再加上驱动电路的不断完善和优化，使得整个装置的损耗明显降低，而且随着对电网无功要求的提高，具有高功率因数的电源是今后的发展趋势。

（3）智能化、复合化。

随着超声波电源自动化控制程度及对电源可靠性要求的提高，超声波电源正向自动化控制方向发展，具有计算机智能接口的全数字化超声波电源成为下一代发展目标。

本文就是在传统超声波电源的基础上，提出研究基于UC3875控制的大功率、高频率、低损耗、高功率因数的超声波电源，使其实现功率可调、频率自动跟踪等功能。

文中超声波清洗机电源要求达到的技术指标为：

（1）功率可调范围2000W一5000W，最大功率为5000W；

（2）频率25KHz-35KHz（实际是在一个较窄的范围内工作）；

（3）频率自动跟踪，功率自动匹配；

（4）具有过流、过压、过温自动保护；

本文按照超声波电源的方案比较、主电路拓扑结构、频率跟踪控制、功率稳定控制、驱动和保护电路、实验结果共六部分进行编排：

（1）超声波电源方案比较部分，对整流单元方案、逆变电路拓扑方案、功率控制方案进行了分析，分别选定了不控整流、串联谐振逆变电路和不控整流斩波调功控制方案。

（2）在逆变器控制系统的设计中，利用UC3875实时调节死区宽度，采用集成锁相环CD4046进行负载的频率跟踪，实现基于数字信号处理UC3875的最佳死区频率跟踪系统，最后给出了硬件和软件实现方案。

（3）研究不控整流加斩波器控制功率的方法，把功率控制转化为BUCK变换器的控制，确定闭环控制方案，并针对具体问题在闭环控制系统的控制算法中引入了模糊控制，给出了实现方案和软件流程图。

（4）研究超声波电源与超声波换能器匹配电路的原理，设计主功率高频变压器和匹配电感器。

（5）研究超声波电源中的驱动电路及保护电路，确定驱动电路的方案和保护电路的实现方法。

（6）根据设计结果，试制电路，测试实验结果，对设计进行验证。

2超声波电源系统

超声波电源，即超声波功率源，是一种用于产生并向超声波换能器提供超声能量的装置。

超声波换能将电能转换为机械能的器件，它的各项参数直接决定了超声波清洗机的性能。

本章主要研究超声波电源系统原理，讨论超声波电源常用的拓扑结构，确定超声波电源主电路方案。

2．1超声波发生器的组成原理

超声波发生器系统一般由整流单元、功率逆变器、匹配网络、反馈网络、信号处理电路、驱动电路和换能器组成，其原理如图1—1所示。

换能器

220V~50HZ

整流单元

IGBT

匹配网络

驱动

反馈网络

信号处理电路

图2.1超声波发生器框图

工作时，三相工频交流电经整流器整流滤波后变为平滑的直流电，送入逆变器；逆变器采用电力半导体器件（IGBT）作为开关器件，把直流电变为所需高频率的交流电；通过匹配网络作用于换能器负载，使电路处于谐振状态。

采集谐振回路的电流和电压信号，通过反馈网络得到适合DSP处理的反馈信号；信号处理电路实现频率跟踪和功率调节功能；由UC3875的输出信号输入到高频驱动电路，作为功率管IGBT的驱动和控制信号。

2．2整流单元方案比较

整流单元的作用是将电网输送的交流电变为直流电，为功率逆变器提供基本的电源。

整流单元是通过控制半导体电力开关器件的通、断，将交流电变为直流电（AC／DC）的，主要有二极管不控整流、晶闸管相控整流、以及采用新型丌关器件的SPWM整流¨引。

2．2．1二极管不控整流电路

三相桥式二极管不控整流电路如图2—2所示，其特点是结构简单，不需要额外的控制，成本低廉。

二极管不控整流电路的输出电压不可调节，且与输入电压成固定比例关系

设输入端线电压为，那么有载时输出端电压平均值为。

一般在输出侧采用大电容稳压滤波后可实现较为稳定的直流电压输出·

图2.2不控整流电路图

图2.3相控整流电路图

2．2．2晶闸管相控整流电路

用晶闸管组成的相控整流电路有多种形式，图2—3是桥式三相晶闸管相控整流电路。

在三相晶闸管相控整流电路中，设输入端线电压为，晶闸管触发为，如果触发角，那么输出端电压平均值为；如果触发角，那么输出端电压平均值为。

晶闸管相控整流电路的特点是其输出电压值连续可调，通过调节晶闸管的导通角，可以实现系统的功率调节；缺点是当晶闸管导通角很大时，即在深调压的场合下，其输出电流尖峰很高，功率因数极低，谐波分量很高、EMI很大。

2．2．3SPWM整流电路

随着电力电子器件的飞速发展，在二十世纪七十年代，有人开始将PWM技术引入整流领域，并取得了良好的效果。

采用PWM整流可获得单位功率因数和正弦化输出电流。

与传统的整流器相比，PWM．SMR对电容、电感这类无源滤波元件或储能元件的需求大大降低，动态性能也有很大的提高，此外其体积、重量也可以大大减少。

PWM整流器拓扑结构可分电流型和电压型两大类，目前应用较多的为电压型高频PWM整流器，其拓扑如图2-4所示。

通过对VTl~VT6六个开关器件的控制，以实现能量的双向传输，并使输入电流波形跟踪输入电压波形，实现较高的功率因数。

然而，SPWM整流器由于对直流侧电压利用率较低，为了实现网侧高功率因数，需显著提高直流母线电压，通常直流母线上的电压会达到800V～1000V左右，进而造成整流桥与逆变桥功率器件的电压应力，增加了系统成本；由于整流器的丌关器件均处于硬开关状态，故其通态损耗也很大，使系统的效率降低。

经过以上对比分析可以看出，二极管不控整流电路与SPWM开关整流电路相比较，结构简单，不需要额外的控制电路：

二极管不控整流电路与晶闸管相控整流电路相比较，提高了功率因数，减少了输入侧的EMI，且其输出电压值适中稳定。

所以，本文超声波电源的整流单元采用三相二极管不控整流电路。

图2.4三相电压型SPWM开关整流电路图

2．3功率逆变器拓扑方案比较

超声波电源的换能器工作在谐振频率时，电路功率因数很低，为了提高功率

因数，常采用连接电感器法以补偿无功功率。

根据补偿电感与换能器的联接方式不同，可以将逆变电路分为并联谐振电路和串联谐振电路两种。

下面对并联逆变电路和串联逆变电路进行简要分析。

2．3．1负载串联谐振逆变器

串联谐振逆变器，即电压型谐振逆变器，如图2．5所示。

全桥串联谐振逆变器有4个IGBT（VT1~VT4）和其反并联的快速二极管的D1~D4组成4个桥臂，把桥臂l和4看作为一对，桥臂2和3看作另一对，成对的桥臂同时导通，两对交替各导通180度。

其输入直流电压恒定不变，输出电压的波形为矩形波且不受负载变化的影响。

工作时，轮流触发VT1,4和VT2，3这两对桥臂，且使其开关频率与负载的固有频率相等，R、L、C负载槽路发生谐振，输出高频正弦电流。

串联谐振逆变器的工作原理如图2-6所示。

图2-5电压型逆变器

当t=to时，触发VTl，4，电流从电源正端一Ⅵl—A—B—VT4一电源负端流通。

负载电路工作在振荡状态，负载电流按正弦规律变化，在to—tl期间，电流经VTl，4流通，形成正半波。

到tI时刻，电流下降到零，电容C上的电源极性为左正右负。

此时，关断VTl，4，触发VT2，3，电流从电源正端—．vT2一B-一A—一、，T3一电源负端流通。

通，形成正半波。

到tI时刻，电流下降到零，电容C上的电源极性为左正右负。

此时，关断VTl，4，触发VT2，3，电流从电源正端—．vT2一B-一A—一、，T3一电源负端流通。

在tl～t2期间，电流经Vrr2，3，形成瓦负半波。

在实际应用中，上、下桥臂IGBT必须遵守先关断后开通的原则，一般留有死区时间毛，快速二极管DI—IM在IGBT关断时，为负载振荡电流提供续流回路，在如期间，输出侧能量通过其回馈电源。

图2-6电压型逆变器工作原理图

2．3．2负载并联谐振逆变器

并联谐振型逆变器，即电流型谐振逆变器，电路结构如图2．7所示。

图2-7电流型逆变器

其中，是整流器输出的脉动直流电压，是平波电抗器，L为补偿电感，其与换能器并联；R和C是换能器等效阻抗。

同样，逆变器也有4个桥臂构成，每一臂由开关器件IGBT和与其串联的二极管组成。

由于的作用，电流为平滑电流。

通过对开关器件（VTl～VT4）的控制，使直流电流而变换成高频的交流矩形波电流输出。

为使逆变器正常工作，应控制逆变器开关器件的工作频率略高于负载谐振频率。

此时负载回路对输出的高频矩形波电流中的高次谐波电流呈现低阻抗，对其基波电流呈现高阻抗，因而使输出电压“B接近正弦波。

并联逆变桥的四个开关状态及其工作原理分别如图2．8所示。

图2.8并联谐振逆变器工作原理图

在期间，VTl，4导通，电流从电源正端一VTl—A—B—VT4一电源负端流通近似为恒值，负载电路工作在振荡状态，负载电压‰按正弦规律变化·形成UA。

的正半波。

到‘l时刻，电压下降到零，电容C上的电源极性为左正右负，此时，关断VTl，4，触发VT2,3。

在期间，VT2，3处于导通状态，电流从电源正端一VT2一BA一Ⅵ4一电源负端流通，电流‘=也，近似为恒值，电压形成“B负半波。

2．4功率控制方案比较

根据逆变器的功率调节方式，可以将串联谐振逆变器的调功方法分为两种：

（1）直流调功：

通过调节逆变器输入端直流电压的幅值来调节输出功率，一般采用直流斩波电路或晶闸管相控整流电路来调节输出功率；

（2）逆变调功：

通过调节逆变器输出电压的频率来调节负载功率因数，或调节输出电压的有效值的大小（调节占空比）来实现功率调节。

2．4．1功率控制方案的选择

逆变侧调功与直流调功的方法相比，可以用不控整流，使控制电路大大简化，而且输出功率的速度比用可控整流要快。

但逆变侧调功这三种方法各自存在着不可忽略的缺点。

采用晶闸管相控整流调功，整流器的功率因数会随着整流器触发角的变化而变化，从而使电源效率受影响。

斩波调功在直流电压下工作，供电功率因数高，对电网的谐波干扰小；电路的工作频率高；适用于电压型逆变器使用，所以本文选用不控整流加斩波器的调功方式，并采用ZVS．PWM软开关技术来降低开关损耗。

斩波电路是BUCK变换器。

其电路结构如图2．14所示，其工作的基本原理为：

开通S则电源E对负载供电，关断S后负载经二极管D和电感续流，控制开关管S的开通占空比D就可以控制变换器的输出电压。

因其输出端电压总低于输入端电压E，故称为降压变换器。

不控整流加斩波器是串联逆变电源输出功率控制的有效方法之一。

下面我们

从数学平均模型上来分析，Buck的平均模型为：

（1）

（2）

（3）

将

（1）

（2）（3）联立方程2.1。

由2．1式可得BUCK变换器的传递函数：

2.2

从式2．5可知，调节占空比D可以调节BUCK变换器的输出电压％，也就是调节超声波电源逆变器的直流输入电压，因逆变器输出电压基波有效值与直流输入电压呈线性关系，进而调节了逆变器负载端电压和电流，即调节了输出功率。

在这种传统的开关过程中，存在着较大的开关损耗和开关噪声。

开关损耗随着开关频率的提高而增加，使电源的效率降低，不利于开关器件的安全工作。

而且开关噪声给电路带来了严重的磁干扰问题，影响周边电子设备的正常工作。

图2.9降压斩波电路图

图2.10ZV—ZCSP删降压斩波电路图

在原来的开关电路基础上增加很小的电感、电容、二极管以及辅助开关管等元件,可以使电路中的开关器件在开通前电压先降为零，或关断前电流先降为零，可以减小或消除在开关过程中电压、电流的重叠，降低它们的变化率，从而大大减d,Y开关损耗和噪声，这样的电路就是软开关电路。

软开关电路种类繁多，层出不穷，本文选用一种新型的ZV-ZCSPWM电路，其电路构成如图2．15所示。

与传统的BUCK变换器相比较，增加了一个电容，两个二极管，一个电感以及一个开关管。

该ZV-ZCS电路，其辅助开关S。

是在零电流下开通，近似零电压下关断，主开关S是在零电流条件下开通，零电压条件下关断。

二极管也都是在软开关状态下开关，各元件所受应力都比较小。

2．5主电路的设计

2．5．1主电路拓扑结构的确定

本章概括的介绍了超声波电源主电路的拓扑结构，分别对整流环节、滤波环节和逆变环节进行了对比分析介绍。

通过对各种电路拓扑进行结构复杂度、性能及成本上的综合比较，文中确定超声波电源等效主电路拓扑结构如图2．16所示，主电路由三相不控整流桥、软开关BUCK斩波器、电压型串联谐振逆变器和负载匹配电路四个部分组成。

斩波器和逆变器中的开关器件采用新型电力电子器件IGBT。

三相交流电经桥式不控整流整成脉动的直流电压，在经过电容“对直流电压平滑滤波后，该电压被输出到有源无损软开关BUCK斩波器进行斩波功率调节，为减小电网电流的脉动和平滑输出的直流电压，斩波器一般接入由电抗和电容Cl组成的低通滤波器。

图2.11超声波电源主电路结构图

2．5．2主电路的参数计算

设计的串联谐振超声波电源基本参数为：

（1）超声波电源输出在换能器上功率R为2000W-5000W，最大值为5000W。

（2）超声波电源换能器的静态谐振频率约为28KHz，斩波器的斩波频率28KHz。

（3）输入电源：

，3相，相电压有效值为220V，线电压有效值380V。

（4）设整流器、斩波器、逆变器、匹配电压器的效率依次为=90％，=90％，=90％，=95％·

分别对主电路进行计算，并根据目标需要对元件进行选型。

（1）整流部分的计算和选型

三相不控整流输出电压：

（相电压班有效值220V）2．3

整流器的输出功率为

2．4

整流器的输出电流：

2.5

整流二极管所承受的正反向电压最大值为三相交流电网线电压的峰值，实际应用中需要考虑到电网电压的波动及各类浪涌电压的影响，因此需要留有一定的安全裕量，一般取为峰值电压的2～3倍，

2.6

流过二极管的电流有效值：

2.7

一定的安全裕量，可求得整流二极管的额定正向均电流为：

2.8

所以，可取二极管的耐压为1200V／20A的整流二极管。

（2）滤波电解电容G的选取

空载直流电压为540V，有负载时直流电压约降为10％，约△U=60V,所以，电解电容C为5000uF／600V。

（3）斩波器开关管和主续流二极管DF的选取斩波器主开关管S流过的最大电流为整流器输出最大电流12．74A，